芯片設(shè)計(jì)里的Multi-Bit FF方法討論

在現(xiàn)代的芯片設(shè)計(jì)里邊，工程師在優(yōu)化功耗和面積上無(wú)所不有其極，這里討論的multi-bit FF 就是其中的一種方法或者稱之為一種流程。

MBIT FF vs signle bit FF

Multi-bit顧名思義就是將通常單bit的FF，封裝為一個(gè)多bit的FF，下面一起來(lái)看一下他們之間的異同：

單bit的asyn-clear scan-FF

針對(duì)這種單bit的asyn-clear scan-FF，vendor提供了幾種多bit的asyn-clear scan-FF，

multi-bit2 asyn-clear scan-FF

multi-bit4 asyn-clear scan-FF

multi-bit6 asyn-clear scan-FF

multi-bit8 asyn-clear scan-FF

從cell的原理圖上看，multi-bit和signle-bit的區(qū)別很小，可以簡(jiǎn)單理解為將多個(gè)signle-bit的FF并排放到了一起，對(duì)于scan chain，也天然的安裝順序連接到一起，簡(jiǎn)單總結(jié)如下

可以看到，這里會(huì)有三類pin是共享關(guān)系

clock pin

clean/reset pin

SI/SE pin

所以：由于scan是后插入的，這個(gè)對(duì)于multi-bit的封裝不敏感外，當(dāng)且僅當(dāng)某一組FF在功能上的clock和reset-clear是共享driver的時(shí)候，這一組FF才可以被二次封裝成為multi-bit FF

MBIT的優(yōu)勢(shì)

由于MBIT對(duì)一些common pin的共享機(jī)制，由此帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)有：

基于共享機(jī)制，晶體管級(jí)別的面積優(yōu)化

common pin的使用，減少layout連線損耗

clock tree的leaf變少，降低clock tree長(zhǎng)度和功耗

在cell級(jí)別，以T12工藝為例，同樣功能（Scan D Flip-Flop with Async Clear, drive strenth: X1）的signle bit和MBIT的比較如下（PS：用多個(gè)單bit 直接搭建多bit 結(jié)構(gòu)進(jìn)行功耗面積的比對(duì)）

如果將signle bit 例化多次進(jìn)行橫比，MBIT大體上都會(huì)在面積上：7.4% ~ 12.96%的提高幅度，功耗上：-3.93% ~ 7.32%左右的提升 在了解了multi-bit的機(jī)理后，這里需要一起梳理一下multi-bit的流程。

MBIT的流程

RTL 階段對(duì)MBIT的推進(jìn)

在讀入RTL之前，DC里邊通過(guò)配置 hdlin參數(shù)：hdlin_infer_multibit 來(lái)對(duì)管理multi-bit的RTL階段的識(shí)別，

上述三種方式，僅僅影響RTL mapping階段的multi-bit的識(shí)別和創(chuàng)建，言下之意：只對(duì)第一個(gè)compile_ultra （mapping）的結(jié)果有影響。 這里推薦的方案是：default_none

如果使用never：這個(gè)會(huì)完全忽略前端設(shè)計(jì)人員的意圖，可能會(huì)丟失directives的信息傳遞

如果使用default_all：這個(gè)會(huì)導(dǎo)致DC 會(huì)有一些自己研判的方法，會(huì)將multi-bit進(jìn)行自己研判的替換，這里不會(huì)丟失設(shè)計(jì)者的directives，但是可能會(huì)對(duì)一些總線或者二維數(shù)組進(jìn)行替換，這里會(huì)導(dǎo)致兩類問(wèn)題

timing：在第一圈compile_ultra的時(shí)候，timing信息并非完整，此時(shí)進(jìn)行multi-bit的替換，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致后續(xù)時(shí)需優(yōu)化的障礙。過(guò)早打包可能還需要二次拆包

register的命名行為。如果RTL是這樣的二維數(shù)組定義

reg [7:0] mem[255:0] 正常情況下，DC會(huì)把這類二位數(shù)組mapping成：

mem_reg[255][7] mem_reg[255][6] ...... mem_reg[255][0] ...... mem_reg[0][7] mem_reg[0][6] ...... mem_reg[0][0] 如果，這個(gè)時(shí)候如果使用了default_all，DC analyze會(huì)對(duì)此類數(shù)組格式進(jìn)行multi-bit封裝，最終DC compile_ultra生成的instance名字會(huì)變得比較奇怪，如下：

# use 4bit register bank mem_reg[255][7:4] ...... mem_reg[255][3:0] ...... mem_reg[0][7:4] ...... mem_reg[0][3:0]

這種命名方式會(huì)給formal帶來(lái)一些的障礙，也有可能帶來(lái)潛在的timing 隱患 小結(jié)：在RTL解析階段，把RTL directives和hdlin_infer_multibit =default_none結(jié)合使用，既尊重原著意思，也可以實(shí)現(xiàn)比較可控的multi-bit 替換。如果設(shè)計(jì)人員不確定哪些一定或者一定不需要去做multi-bit 替換，這里依然使用hdlin_infer_multibit =default_none，這樣在第一個(gè)RTL步驟，就之后對(duì)于RTL 設(shè)計(jì)人員的需求，在RTL 分析時(shí)進(jìn)行multi-bit 綁定，但是并不一定會(huì)產(chǎn)生替換，前提是timing和控制都能滿足要求。

R2G里的MBIT的流程

從上面的描述可以看到，MBIT的替換主要是為了面積/功耗收益的同時(shí)，時(shí)序不受影響（不出violation）。所以在physical aware 的DCT完成后，進(jìn)行替換，是比較合適的時(shí)機(jī)：

mapping和邏輯優(yōu)化基本完成：ICG的影響已經(jīng)帶入，MBIT的控制共享比較清晰

由于是physical aware的DCT，時(shí)序信息也基本清楚，這里整體進(jìn)行MBIT替換可以最大限度的利用MBIT的優(yōu)勢(shì)，如果后期（APR）有時(shí)序壓力，可以使用de-banking來(lái)進(jìn)行降解MBIT，也是有二次操作空間

compile_ultra可以根據(jù)需求進(jìn)行MBIT替換，但是需要遵循下列規(guī)則：



基于上述原理，用戶可以使用下面的簡(jiǎn)單流程在綜合里邊進(jìn)行MBIT的替換



對(duì)MBIT操作的核心命令是：identify_register_banks，這個(gè)命令在第一步compile_ultra完成后，可以對(duì)DCT/DCG里的FF進(jìn)行MBIT替換，除過(guò)cell之間的相同clock和控制位，identify_register_banks命令會(huì)將物理位置相近的FF進(jìn)行MBIT替換，所以，從S家的R2G策略上將，為了保持良好的繼承性，用戶需要使用DCG流程+ ICC/ICC2 DEF flow(read_def + place_opt -skip_initial_placement)來(lái)完成MBIT的替換應(yīng)用。

只有這樣才能把DCG替換FF的物理優(yōu)勢(shì)繼承下來(lái) 當(dāng)然，用戶也可以在ICC/ICC2 進(jìn)行MBIT的替換，但是由于替換策略都是類似的，也是一定要有cell的初始布局后，才能進(jìn)行替換，基本流程如下：


這里的流程近似可以看作把place_opt進(jìn)行了拆分，在第一步coarse placement 后，加入了MBIT的替換，用戶需要手動(dòng)sorce 這個(gè) 腳本（和identify_register_banks類似的用法）進(jìn)行MBIT替換，而后再繼續(xù)執(zhí)行place_opt剩余的步驟。 無(wú)論是在synthesis還是layout階段，MBIT替換的方式主要是基于兩點(diǎn)：

timing

物理位置

只有在timing 有余量，并且物理位置接近的register，才會(huì)觸發(fā)工具的MBIT替換動(dòng)作，這樣可以最大限度的降低對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)的影響，同時(shí)也能利用起MBIT的面積和功耗優(yōu)勢(shì)

DC 中 MBIT 替換實(shí)例

以DCG為例，在第一步compile_ultra完成后，使用identify_register_banks進(jìn)行MBIT 替換

替換前：

替換后：可以看到，新創(chuàng)建的MBIT位于原始兩個(gè)single bit的中間

命令運(yùn)行日志：



這里會(huì)打印：

single bit cell 刪除信息

MBIT pin 連接信息

可以看到 這里的CLK/RB 等控制信號(hào)都是需要 同源的，工具也有內(nèi)建的防錯(cuò)機(jī)制，如果目標(biāo)single bit的控制端有不同，會(huì)以PSYN-1203 的告警進(jìn)行打印，確保功能不被影響：



注：用戶可以通過(guò)set_multibit_option 來(lái)控制compile_ultra 命令的行為，這樣在綜合增量?jī)?yōu)化步驟里邊，工具可以根據(jù)set_multibit_option配置的情形，來(lái)做banking和de-banking的操作。

MBIT的命名和管腳映射

工具是通過(guò) identify_register_banks 產(chǎn)生MBIT的替換腳本，對(duì)于總線，通常是按照升序的策略進(jìn)行命名的，當(dāng)然，由于這個(gè)是后處理腳本，用戶也可以自己進(jìn)行修改，但是通常沒(méi)必要改變默認(rèn)行為，以免對(duì)后續(xù)formal產(chǎn)生影響。簡(jiǎn)單命令如下：



對(duì)于合成后的MBIT cell，對(duì)應(yīng)的Q輸出，也是沿用升序的方式：

A[0].Q -> MBIT_A[0]__A[1]__A[2]__A[3].Q1 A[1].Q -> MBIT_A[0]__A[1]__A[2]__A[3].Q2 A[2].Q -> MBIT_A[0]__A[1]__A[2]__A[3].Q3 A[3].Q -> MBIT_A[0]__A[1]__A[2]__A[3].Q4 MBIT通過(guò)這樣的命名方式，對(duì)于后續(xù)的formal mapping和gate-sim等工作是有一定幫助的。

審核編輯：劉清